基于模糊數(shù)學(xué)的大伙房水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)

朱茂森

（遼寧省水文局，遼寧沈陽(yáng)110003）

基于模糊數(shù)學(xué)的大伙房水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)

朱茂森

（遼寧省水文局，遼寧沈陽(yáng)110003）

分別采用營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)2015年大伙房水庫(kù)進(jìn)行富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)，對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析顯示：大伙房水庫(kù)水體整體處于中營(yíng)養(yǎng)～輕度富營(yíng)養(yǎng)型狀態(tài)，但總氮指標(biāo)已達(dá)到中度富營(yíng)養(yǎng)化程度，水庫(kù)上游區(qū)域的富營(yíng)養(yǎng)化程度高于庫(kù)中心區(qū)，在嚴(yán)重的干旱年，容易出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)加重和暴發(fā)水華的風(fēng)險(xiǎn)。模糊綜合評(píng)價(jià)法既考慮了富營(yíng)養(yǎng)化級(jí)別劃分的模糊性，又考慮了不同評(píng)價(jià)因子對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化程度的影響權(quán)重，評(píng)價(jià)結(jié)果更加客觀合理。

富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)；營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；模糊綜合評(píng)價(jià)；水華；大伙房水庫(kù)

湖泊水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化是指水體接納過(guò)量的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，使水體中藻類以及其他水生物異常繁殖，水體透明度和溶解氧變化，造成湖泊水庫(kù)水體惡化，加速湖泊水庫(kù)老化，從而使湖泊水庫(kù)生態(tài)和水功能受到阻礙和破壞。

大伙房水庫(kù)是我國(guó)九大飲用水源地之一，是沈陽(yáng)、撫順、遼陽(yáng)、鞍山、營(yíng)口、盤(pán)錦、大連7個(gè)城市近2 300萬(wàn)人口的生活飲用水水源地，地位極其重要。由于近年來(lái)水庫(kù)上游及周邊地區(qū)點(diǎn)源和面源污染，使水庫(kù)的生態(tài)系統(tǒng)及水質(zhì)狀況發(fā)生了很大的改變，對(duì)大伙房水庫(kù)作為全國(guó)重要飲用水水源地的水質(zhì)安全構(gòu)成了一定的威脅。

模糊數(shù)學(xué)方法自美國(guó)1965年提出以來(lái)，已經(jīng)有許多人將其成功地應(yīng)用在水質(zhì)評(píng)價(jià)中。由于水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化級(jí)別的劃分具有模糊性，且各營(yíng)養(yǎng)因子對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化程度的影響程度有輕有重。因此，為了客觀科學(xué)的分析大伙房水庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，文中采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)2015年大伙房水庫(kù)進(jìn)行富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)，并將評(píng)價(jià)結(jié)果與SL395-2007《地表水資源質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》推薦的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證模糊綜合評(píng)價(jià)的的可行性和合理性。

1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布及監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

根據(jù)SL219-2013《水環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范》斷面布設(shè)要求，大伙房水庫(kù)共布設(shè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面7個(gè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)10個(gè)，分別為渾河北雜木、蘇子河古樓、社河臺(tái)溝3個(gè)入庫(kù)斷面；庫(kù)區(qū)布設(shè)3個(gè)斷面，分別為渾7、渾37、渾73，每個(gè)斷面根據(jù)水庫(kù)水面寬和水深布設(shè)了左、右兩條垂線；出庫(kù)口（撫順取水口）布設(shè)1個(gè)斷面（撫順取水口斷面），水庫(kù)壩前布設(shè)1個(gè)斷面。

富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)項(xiàng)目包括總磷、總氮、葉綠素a、高錳酸鹽指數(shù)和透明度。2015年大伙房水庫(kù)各斷面富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)值，見(jiàn)表1。

表1 2015年大伙房水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)因子監(jiān)測(cè)值

2 評(píng)價(jià)方法

2.1 營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法

根據(jù)SL395-2007《地表水資源質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》，將湖泊（水庫(kù)）營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分為貧營(yíng)養(yǎng)、中營(yíng)養(yǎng)、輕度富營(yíng)養(yǎng)、中度富營(yíng)養(yǎng)和重度富營(yíng)養(yǎng)五級(jí)，相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和分級(jí)方法見(jiàn)表2。

表2 湖泊（水庫(kù)）營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及分級(jí)方法

采用線性插值法將水質(zhì)項(xiàng)目濃度值轉(zhuǎn)換為賦分值，按公式1計(jì)算營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（EI），根據(jù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)確定營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分級(jí)。

式中：EI——營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；En——第n個(gè)評(píng)價(jià)項(xiàng)目的賦分值；m——評(píng)價(jià)項(xiàng)目個(gè)數(shù)。

2.2 模糊綜合評(píng)價(jià)法

模糊綜合評(píng)價(jià)法的是根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立各因子對(duì)各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度集，用超標(biāo)污染貢獻(xiàn)率法計(jì)算權(quán)重集，再把因子權(quán)重集與隸屬度集進(jìn)行模糊復(fù)合運(yùn)算，獲得一個(gè)綜合評(píng)價(jià)集，表明評(píng)價(jià)水體對(duì)各級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬程度，反映綜合水質(zhì)級(jí)別的模糊性。

該方法首先將評(píng)價(jià)因子模糊化，應(yīng)用降半梯形分布法建立隸屬度函數(shù)。對(duì)于數(shù)值越小越優(yōu)的評(píng)價(jià)因子，如總磷、總氮、葉綠素a、高錳酸鹽指數(shù)，其隸屬度函數(shù)計(jì)算公式如下：

當(dāng)Ci屬于第Ⅰ等級(jí)的隸屬程度，

當(dāng)Ci屬于第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等級(jí)的隸屬程度，

對(duì)于數(shù)值越大越優(yōu)的評(píng)價(jià)因子，如透明度，其隸屬度函數(shù)計(jì)算公式如下：

當(dāng)Ci屬于第Ⅰ等級(jí)的隸屬程度，

式中：Ci為第i種評(píng)價(jià)因子實(shí)際監(jiān)測(cè)值；Sij為第i種評(píng)價(jià)因子第 j等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)值。

然后采取常用的超標(biāo)污染貢獻(xiàn)率法計(jì)算各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重系數(shù)，計(jì)算公式：

式中：Ci為第i種評(píng)價(jià)因子實(shí)際監(jiān)測(cè)值；Si為第i種因子各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值的算術(shù)平均值；n為評(píng)價(jià)因子的個(gè)數(shù)；Wi為第i種因子的權(quán)重。

對(duì)上述隸屬度矩陣R和權(quán)重矩陣W進(jìn)行模糊復(fù)合運(yùn)算，常用的復(fù)合運(yùn)算模型有4種，考慮到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)總氮濃度較高，達(dá)到中度富營(yíng)養(yǎng)級(jí)別，其它污染物濃度相對(duì)較低，因此，在模糊綜合評(píng)價(jià)中進(jìn)行“取小”或“取大”運(yùn)算時(shí)可能導(dǎo)致運(yùn)算結(jié)果“忽視”或“夸大”單因素起到的控制作用，導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果不合理，文中采用“相乘相加”的運(yùn)算方式計(jì)算等級(jí)判斷矩陣Y=R·W。根據(jù)模糊數(shù)學(xué)貼近原理及最大隸屬度原則判定水質(zhì)等級(jí)。

根據(jù)上述計(jì)算步驟，計(jì)算出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的隸屬度矩陣R如下：

采用相乘相加的方式，對(duì)R和W進(jìn)行模糊復(fù)合運(yùn)算，結(jié)果如下：

3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

上述2種富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3。

從評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出大伙房水庫(kù)水體整體處于中營(yíng)養(yǎng)～輕度富營(yíng)養(yǎng)型狀態(tài)，但總氮指標(biāo)已達(dá)到中度富營(yíng)養(yǎng)化程度。入庫(kù)區(qū)域的水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化程度高于庫(kù)中心區(qū)，主要是由于近年來(lái)水庫(kù)上游及周邊地區(qū)工、農(nóng)、牧、種、養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展及農(nóng)藥、化肥、洗滌劑的大量使用，使水庫(kù)的生態(tài)系統(tǒng)及水質(zhì)狀況發(fā)生了很大的改變，水體中的總氮等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量長(zhǎng)期處于較高的水平。從正常年份來(lái)看，大伙房水庫(kù)發(fā)生水華的風(fēng)險(xiǎn)并不是非常大，但在嚴(yán)重的干旱年，伴隨著氣溫的升高，會(huì)使水華風(fēng)險(xiǎn)急劇增大。而氣候變暖，增加了極端天氣（嚴(yán)重干旱和洪澇）出現(xiàn)的幾率和嚴(yán)重程度，這增加了未來(lái)大伙房水庫(kù)出現(xiàn)水華的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)大伙房水源地的水質(zhì)安全構(gòu)成了一定的威脅，需要引起相關(guān)部門(mén)的警惕和重視。

表3 大伙房水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)結(jié)果

2種富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法得出的評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，僅臺(tái)溝、古樓、撫順取水口3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)級(jí)不同，模糊綜合評(píng)價(jià)法得出的評(píng)價(jià)結(jié)果高出一個(gè)級(jí)別，這與大多數(shù)情況下，采用不同評(píng)價(jià)方法對(duì)同一湖泊（水庫(kù)）的富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果類似。由于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)級(jí)別的劃分具有模糊性，且不同的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化的影響程度不同。營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法在計(jì)算營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)EI時(shí)取各評(píng)價(jià)項(xiàng)目賦分值的算術(shù)平均值，這容易掩蓋單項(xiàng)高濃度污染物對(duì)EI的貢獻(xiàn)。而模糊綜合評(píng)價(jià)法更適用于水質(zhì)污染級(jí)別劃分的模糊性，數(shù)據(jù)更加連續(xù)，計(jì)算了每個(gè)評(píng)價(jià)因子對(duì)各級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬程度，并且考慮了不同評(píng)價(jià)因子對(duì)地下水水質(zhì)的影響權(quán)重，能更客觀地反映水質(zhì)的實(shí)際情況，評(píng)價(jià)結(jié)果更加科學(xué)準(zhǔn)確。

4 結(jié)語(yǔ)

分別采用營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)2015年大伙房水庫(kù)進(jìn)行富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示：大伙房水庫(kù)水體整體處于中營(yíng)養(yǎng)～輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，但總氮指標(biāo)已達(dá)到中度富營(yíng)養(yǎng)化程度，入庫(kù)區(qū)域的水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化程度高于庫(kù)中心區(qū)，在嚴(yán)重的干旱年，容易出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)加重和暴發(fā)水華的風(fēng)險(xiǎn)，需要加強(qiáng)水庫(kù)上游區(qū)域水污染治理力度。

營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法和模糊綜合評(píng)價(jià)法均可以對(duì)湖泊（水庫(kù)）富營(yíng)養(yǎng)化級(jí)別做出評(píng)價(jià)，且評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致。相比較于營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法，模糊綜合評(píng)價(jià)法既考慮了水質(zhì)污染級(jí)別劃分的模糊性，也考慮了不同評(píng)價(jià)因子對(duì)地下水水質(zhì)的影響權(quán)重，評(píng)價(jià)結(jié)果與研究區(qū)域的實(shí)際水質(zhì)情況更符合，有助于從事相關(guān)領(lǐng)域工作的管理者做出科學(xué)決策。

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X824 < class="emphasis_bold"> ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A

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2016-09-20